Пирамиды, небоскребы и сверхзвуковые полеты – вот лишь некоторые из способов, которыми человечество продемонстрировало свою изобретательность и технические возможности за прошедшие тысячелетия. Однако природа, особенно благодаря эволюционному процессу, известному как естественный отбор, за миллионы лет проб и ошибок довела до совершенства дизайн своих творений. Поэтому для человека вполне логично использовать найденные природой решения при разработке своих технологий.
Внедрение в конструкцию технических устройств или в технологические процессы идей и элементов, позаимствованных у живой природы, называется биомиметикой или бионикой. Живой мир послужил на пользу многих успешных творений человека, от поездов до зданий.
Птичий клюв для поезда
Когда в Японии начал курсировать сверхскоростной пассажирский экспресс, неожиданно возникла проблема: при скорости 300 км/ч каждый раз, когда он выходил из туннеля, возникал сильнейший акустический удар. Это происходило из-за повышенного давления, которое поезд создавал перед собой в туннеле.
Решение проблемы нашел инженер Эйдзи Накацу, который обратил внимание на… зимородка. Эта птица благодаря особой обтекаемой форме своего длинного клюва может пикировать с высоты в воду практически бесшумно, не производя ни волн, ни брызг. Клюв зимородка послужил прототипом аэродинамической лобовой части «синкансэн» – японских скоростных поездов.
Киты и турбины
Горбатый кит весит 36 тонн, и при этом он – один из самых элегантных пловцов и ныряльщиков. Как продемонстрировал 15 лет назад биомеханик Франк Фиш, эти гидродинамические способности во многом обусловлены наличием хаотически расположенных выпуклостей на передней части плавников кита. Эти выступы, создавая турбулентность, влияют на характер обтекания китового плавника водой.
Фиш обнаружил, что, используя эту особенность строения плавников, можно разработать более эффективные лопасти для ветрогенераторов и гидротурбин, насосов различного назначения, вентиляторов и другой техники. Во множестве устройств, конструкция которых включает этот подвижный элемент, применяется заимствованный у горбатых китов принцип. Он способствует повышению устойчивости водного или воздушного потока, обтекающего лопасть, понижает уровень шума.
Цепкость чертополоха
Никому не нравятся приставшие к одежде или волосам колючки репейника и чертополоха. Но швейцарский инженер Жорж де Местраль, регулярно чистя от них свою собаку после лесных прогулок, в 1941 году нашел идею полезного применения неприятного свойства корзинок альпийского чертополоха.
Когда Местраль рассмотрел их в микроскоп, он заметил, что каждый шип колючки покрыт множеством мелких гибких крючков. Благодаря им репейник и цепляется за любую поверхность, имеющую микроскопические петлеобразные выступы, например, за ткань или волосы. Так родилась идея застежки, состоящей из двух соприкасающихся слоев: на одном – мелкие крючки, на втором – столь же мелкие петли.
Эта застежка – «липучка», или велкро (от французских слов velours – «бархат» и crochet – «крючок»), сегодня применяется в производстве обуви, одежды, различных аксессуаров, в оборудовании станков и даже на орбите – на Международной космической станции.
Архитектура термитников
Крупный коммерческий и офисный центр Истгейт в Хараре, столице Зимбабве, является первым примером крупномасштабной биомиметики. В этом здании используются нетрадиционные системы отопления и охлаждения, которые регулируют температуру в течение всего года.
Вдохновила на создание такой системы архитектора Мика Пирса оригинальная структура термитников. Естественное кондиционирование воздуха и терморегуляция внутри этих удивительных сооружений обеспечиваются за счет каналов и шахт, расположенных особым образом. Термиты могут открывать и закрывать их, регулируя воздушные потоки в своем «доме».
Система пассивной вентиляции, спроектированная Пирсом для Истгейта на основе устройства термитников, позволяет поддерживать в здании комфортные условия, экономя при этом значительное количество электроэнергии.
Безопасное стекло
Подсчитано, что ежегодно в мире погибает, врезаясь в оконные стекла, около 100 миллионов птиц. Они просто не различают этого прозрачного барьера.
Для разрешения этой проблемы было разработано специальное стекло Ornilux с покрытием, отражающим ультрафиолетовые лучи. Птицы видят их, и стекло перестает представлять для них опасность, оставаясь при этом прозрачным для человека.
Прототипом для специального покрытия послужили нити паутины, отражающие ультрафиолет.
Акулью кожу – кораблям и самолетам
Кожа акулы не гладкая – она покрыта очень мелкими чешуйками со сложной рифленой поверхностью. Ученым удалось воспроизвести ее текстуру, и они получили материал, который снижает аэро- и гидродинамическое сопротивление, а кроме того, предотвращает скапливание бактерий на поверхности.
Имитация такого покрытия чрезвычайно полезна для корпусов кораблей, подводных лодок и самолетов. Помимо скоростных преимуществ, оно экологически выгодно, поскольку позволяет снижать расход топлива.
Это далеко не все примеры биомиметического дизайна. Природа создала много шедевров, и чем дальше продвигается человек по пути развития технологий, тем больше полезных уроков живой мир может преподать ученым и инженерам.
